直接调制和空间光调制
3.7-空间光调制器资料
c ,c m,c 2m
时间调制器
电光调制器：电场控制 （克尔效应或泡克耳斯效应）
磁光调制器（磁光效应）
声光调制器：用超声信号驱动
幅度大而速度快的光强时间调制器可 作光开关
幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器
空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化， 进行调制，可产生光强的某种空间分布。
A(x,y)＝A0T(x,y)
或者是形成随坐标变化的相位分布 A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
y x
或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义， 这是一种对光波的空间分布进行调制的器件。它的英文名 称是Spatial Light Modulator(SLM)。
空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成 一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光信号或电 信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反 射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这 些单元光学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以 是光信号也可以是电信号，射入器件并被调制的光波称为 “读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输出 光”。实时的二维并行处理。
3.电光数字式扫描
由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图5所示。
图中S为KDP晶体，B为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振
光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔 b为分裂度，为分裂角（也
称离散角）。
纵向电光调制器及其工作原理
T
Io Ii
sin 2
2
sin
2
2
V V
上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字扫描器， 入射的线偏振光随电光晶体上加和不加半波电压而分别占据两 个“地址”之一，分别代表“0”和“l”状态 。
空间光调制器教材
DVI端口
DVI-I双通道 数字/模拟 可转换VGA DVI-I单通道 数字/模拟 可转换VGA DVI-D双通道 数字 不可转换VGA DVI-D单通道 数字 不可转换VGA
HDMI接口 制作：Alan
HDMI是基于DVI（Digital Visual Interface）制定的，是High Definition Multimedia Interface（高分数字多媒体接 口）的简称，可以看作是DVI的强化与延伸， 两者可以兼容。HDMI在保证高品质的情况 下能够以数码形式传输未经压缩的高分辨率 视频和多声道音频数据。HDMI可以支持所 有的ATSC HDTV标准，不仅能够满足目前 最高画质1080p的分辨率，还可以支持 DVDAudio等最先进的数字音频格式，支持 八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传 递，而且只用一条HDMI线连接，可以用于 免除数码音频接线。与此同时HDMI标准所 具备的额外扩展空间，它允许应用在日后升 级的音频或视频的格式中。与DVI相比 HDMI接口的体积更小而且支持同时传输音 频及视频信号。
制作： Alan
其它配件 制作：Alan
高精度纯相位LCOS显示面板
RS232数据线
DVI数据线
软件部分 制作：Alan
HOLOEYES 的调制器可以直接通过 显卡的DVI 接口连接到计算机上。空间 光调制器能如此方便使 用离不开在 windows 平台上的灵活高效的帧速率图 形卡。该空间光调制器由HOLOEYE 软 件驱动， 该软件可工作在所有版本的 windows 操作平台上。该软件能方便的 控制所有相关的图像参数， 另外，精心 设计的空间光调制器软件能实现多种光 学函数，像，光栅、透镜、轴锥体和光 圈， 并且能够根据用户设定的图像设计 衍射光学器件（DOE）。完整的套件包 括调制器、视频分配器 和图像处理的所 有相关器件。由于它小的尺寸，可以容 易的被集成到光学系统中。为保证器件 的光学质量（如：相位调制）， HOLOEYE 对每个器件都进行了测量。
空间光调制器原理
空间光调制器原理
空间光调制器是一种利用光的相位、强度或偏振进行光信号调制的设备。
它可以将电信号转换为光信号，并对光信号进行调制，实现光通信、光传感、光计算和光存储等应用。
空间光调制器的原理可以分为两类：光学调制器和光电调制器。
光学调制器是利用物质的光学非线性效应来实现光信号调制的。
通过在光学材料中加入控制电场，可以改变材料的折射率、吸收系数或光学路径长度，从而实现对光信号的调制。
常用的光学调制器包括Mach-Zehnder插入波导调制器和热光调制器等。
光电调制器则是利用光电效应来实现光信号调制的。
光电调制器通常由光探测器和电调制器两部分组成。
光探测器将光信号转化为电信号，而电调制器则利用电信号对光信号进行调制。
常用的光电调制器包括光电晶体管、光电导和光电效应晶体等。
空间光调制器在光通信系统中起着重要的作用。
它可以将电信号转换为光信号，并调制光信号的相位、强度或偏振，实现光信号的编码、解码和传输。
同时，空间光调制器还可以用于光存储和光计算等领域，广泛应用于光学信息处理、光学传感和光纤通信等领域。
总之，空间光调制器是一种重要的光学器件，它通过光学调制或光电调制的方式对光信号进行调制，用于实现光通信、光传感、光计算和光存储等应用。
空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用
空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是信息光学领域中重要的一种设备，具有广泛的应用。
本文将介绍空间光调制器的工作原理，并阐述其在信息光学中的应用。
一、空间光调制器的工作原理空间光调制器是一种能够调整光波相位、振幅或偏振等参数的光电器件。
其基本构成包括光电转换器件和控制电路。
常见的空间光调制器有液晶空间光调制器（LC-SLM）和远红外空间光调制器（IR-SLM）等。
液晶空间光调制器利用液晶分子的旋转改变光波的偏振态，从而实现对光波的调制。
其结构包括透明电极、透明基底、液晶层等。
透明电极通过外加电压改变电场，从而改变液晶分子的旋转程度，进而改变波片的相位差。
远红外空间光调制器则是利用半导体材料的特性，通过改变电压来控制光波的相位、振幅等参数。
它在远红外波段（10μm-100μm）具有较好的响应特性，并被广泛应用于红外成像、光谱分析等领域。
二、空间光调制器在信息光学中的应用1. 相位调制空间光调制器可以通过改变光波的相位差来实现相位调制。
相位调制可用于全息成像、光学信息处理等领域。
例如，在数字全息术中，利用空间光调制器可以将三维物体信息编码到二维的全息图中，实现对物体的三维重建。
2. 模拟光学系统空间光调制器可用于模拟光学系统的构建。
通过控制空间光调制器的参数，如相位、振幅等，可以模拟各种光学元件的功能。
这对于系统性能分析、光学设计和优化等方面有着重要作用。
3. 光波前校正在自适应光学系统中，空间光调制器可以用于补偿光束的像差，提高图像的清晰度和分辨率。
通过改变光波的相位和振幅分布，空间光调制器可以实现对光场的调整，从而实现补偿效果。
4. 光通信与信息传输空间光调制器在光通信与信息传输中有广泛应用。
利用空间光调制器可以实现光信号的调制、解调和编码等功能。
同时，空间光调制器也可用于光纤通信中的信号调整、波前整形等。
5. 光学陷阱与操控空间光调制器还可用于构建光学陷阱。
空间光调制器实现相位调制的原理
空间光调制器的基本原理空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一种用于控制光波相位的装置。
它利用特殊的光学材料（如液晶、单晶硅等）和电调制技术，通过改变材料中的折射率或光的吸收特性来实现对光波相位的调制。
这样，可以对光波进行相位调制，并实现包括干涉、衍射、全息等光学功能。
空间光调制器通过改变光的相位，可以控制光波传输的方向、强度、波前形状等参数，广泛应用于光学通信、光学显示、光学信息处理、全息成像等领域。
空间光调制器主要有两种类型：液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，简称LC-SLM）和单晶硅空间光调制器（Silicon SpatialLight Modulator，简称Si-SLM）。
以下将分别介绍它们的工作原理。
液晶空间光调制器（LC-SLM）的工作原理液晶空间光调制器由液晶材料、玻璃基板、透明电极、控制电路等组成。
液晶材料是一种具有自发偏振性质的有机分子，可通过外加电场改变其取向，从而改变其光学性质。
液晶材料的取向状态可以分为平行（平面向列型）和垂直（逆锥型）两种。
液晶空间光调制器通常采用平行取向的液晶材料，使光波经过液晶层时，被液晶材料的分子沿着相同的方向旋转一定的角度，从而改变光波的相位。
液晶空间光调制器的原理可以分为两个步骤，即电场调制和光学调制。
1.电场调制液晶空间光调制器的玻璃基板上覆盖有透明电极，通过外加电压激发电场，使液晶材料的分子取向发生变化。
当液晶层中没有电场时，液晶分子呈现无序排列，电场激发后，液晶分子趋向于沿着电场方向旋转。
这种液晶分子的取向可以通过控制电场的大小、方向和施加时间来实现，从而实现对光波相位的调制。
2.光学调制当外加电场产生后，液晶材料的折射率发生改变。
当光波通过液晶层时，会受到液晶材料的折射率差异影响，从而引起相位的改变。
液晶空间光调制器通过控制电场，实现对光波相位的调制，具体来说，可以通过调整电场强度和方向来改变液晶层中的折射率分布，进而改变光波的相位分布。
11空间光调制器
4. 声光扫描声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向。
⑴声光扫描原理从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，光束以θi 角入射产生衍射极值应满足布喇格条件：sB n λλθ2sin =，B d i θθθ==。
布喇格角一般很小，可写为 s ss B f v n 22λλλθ=≈ (3.6-5) 故衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角θB 的2倍，即 s s B d i f nv λθθθθ==+=2 (3.6-6)可以看出：改变超声波的频率f s ，就可以改变其偏转角θ，从而达到控制光束传播方向的目的。
超声频率改变∆f s 引起光束偏转角的变化为s s f nv ∆=∆λθ (3.6-7)这可用图1及声光波矢关系予以说明。
⑵声光扫描器的主要性能参量声光扫描器的主要性能参量有三个:可分辨点数，它决定描器的容量。
偏转时间τ，其倒数决定扫描器的速度。
衍射效率ηs ，它决定偏转器的效率。
衍射效率前面已经讨论过。
下面主要讨论可分辨点数、扫描速度和工作带宽的衍射光声频为f s 的衍射光k s s 图1 声光描器原理图问题。
可分辨点数N 定义为偏转角∆θ和入射光束本身发散角∆φ之比，即)(w R N λφ∆φ∆θ∆== (3.6-8)式中w 为入射光束的宽度；R 为常数，其值决定于所用光束的性质（均匀光束或高斯光束）和可分辨判据（瑞利判据或可分辨判据）。
上式可以写成s f RN ∆=11τ (3.6-10) τ1N 称为声光扫描器的容量-速度积，它表征单位时间内光束可以指向的可分辨位置的数目。
声光扫描器带宽受两种因素的限制，即受换能器带宽和布喇格带宽的限制。
因为声频改变时，相应的布喇格角也要改变，其变化量为s s B f nv ∆=∆2λθ (3.6-11)因此要求声束和光束具有匹配的发散角。
声光扫描器一般采用准直的平行光束，其发散角很小，所以要求声波的发散角B δθδφ≥。
空间光调制器
第6章空间光调制器6.1概述人们已经认识到，光波作为信息载体具有特别显著的优点。
其一，是光波的频率高达1014Hz以上，比现有的信息载波，如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。
因此，它有极大的带宽，或者说具有极大的信息容量。
光纤通信正是以此为基础，得到迅猛发展的。
其二，是光波的并行性。
光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰。
这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。
原有的、以串行输入/输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求，能实时的或快速的二维输入、输出的传感器，以及具有运算功能的二维器件便应运而生。
这些器件即为空间光调制器。
它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。
本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。
6.1.1空间光调制器的基本结构与分类[6-1~6-4]空间光调制器是由英语的Spatial light Modulator直译过来的，常缩写成SLM。
顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。
空间光调制器能对光波的某种或某些特性(例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。
换句话说，其输出光信号是随控制（电的或光的）信号变化的空间和时间的函数。
空间光调制器结构的基本特点在于,它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。
习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的光电信号称为“写入光”，或“写入（电）信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。
空间光调制器
第6章空间光调制器6.1概述人们已经认识到，光波作为信息载体具有特别显著的优点。
其一，是光波的频率高达1014Hz 以上，比现有的信息载波，如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。
因此，它有极大的带宽，或者说具有极大的信息容量。
光纤通信正是以此为基础，得到迅猛发展的。
其二，是光波的并行性。
光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰。
这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。
原有的、以串行输入/输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求，能实时的或快速的二维输入、输出的传感器，以及具有运算功能的二维器件便应运而生。
这些器件即为空间光调制器。
它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。
本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。
6.1.1空间光调制器的基本结构与分类[6-1~6-4]空间光调制器是由英语的Spatial light Modulator直译过来的，常缩写成SLM。
顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。
空间光调制器能对光波的某种或某些特性(例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。
换句话说，其输出光信号是随控制（电的或光的）信号变化的空间和时间的函数。
空间光调制器结构的基本特点在于,它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的、连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号，并利用各种物理效应改变自身的光学特性（相位、振幅、强度、频率或偏振态等），从而实现对输入光波的空间调制或变换。
习惯上，把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的光电信号称为“写入光”，或“写入（电）信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。
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10
控制这些像素光学性质的信号称为“写入信号 （W）”，写入信号可以是电信号也可以是光信号， 射入器件并被调制的光称为“读出光（IR）”，和调 制后的“输出光”的关系为：
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1.6.3 几种典型的空间光调制器
1、泡克尔斯读出光调制器（PROM） 为了满足实时处理的要求，陆续出现了多种结构 原理的器件，其中以硅酸铋（简写为BSO）晶体材 料制成的空间光调制器的倒了较快的发展。BSO不 但具有光电效应，而且还具有线性电光效应，半波 电压较低，BSO-PROM空间光调制器的结构示意图如 图：
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3、其他类型的空间光调制器 （1）声光空间光调制器 利用声光效应来进行光调制。在声光空间光调制 器中，吧电学信号通过电声转换器转换成载有写入 信息的超声波，走用于声光介质，产生内应力场分 布，通过光弹效应，有转换成戒指折射率的变化分 布，形成“相位光栅”，读出光收到“光栅”作用 被调制和声光调制器不同的是可以实现对输出光的 相位调制。
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这种方式主要用于光—光转换器件，这种器件 可以用于光学信息处理和光计算机进行图像转换、 显示、存储和滤波。 当写入信号是电信号时，采用电学寻址方式， 主要用于电—光实时接口器件。优点：直接利用 电信号控制输出光的振幅或相位。
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1.6.2 空间光调制器的基本功能
1.变换器功能 （1）电—光转换和串行—并行转换。 例如：待处理的信息来自摄影机或计算机模拟信号，他往 往是一个随时间变化的电信号，为了把该信号输入到光学 系统中去，就要用空间光调制器，一方面把按时间先后串 行的电信号，转换成一个在空间以一维或二维阵列形式排 列的控制信号，另一方面又把阵列中每个像素上的控制信 号转换成能调制读出光的光学性质的变化。
18
工作原理： 当在透明电极上加上工 作电压而无光照时，晶 体的光学性质并不发生 变化，因为此时大部分 电压降到光敏层。 当用较强的蓝光照射光敏层，光子被激发，是电子获得 足够的能量越过禁带跃入导带，大量的自由电子和空穴 参与导电，光敏层电阻降低（光电导效应）。
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由于光敏层的电阻随外界的入射光的强弱发生变化， 故晶体的电光效应也发生变化。当写入信号射向器 件时，写入光的照度通过光电效应转换成BSO晶体 内的电场分布，将图像存储下来。在读取图像时， 选长波光为读出光。由于电光效应变成椭圆偏振光， 其椭圆率取决于晶体电压的空间变化，因此从检偏 器输出的光的光强分布将正比于图像的明暗分布， 实光信号在信道传输过程中引进的噪声和 失真，可采用简介中继器的方式去掉，抗干扰能 力强； 2、线性要求不高，可充分利用光源的发光功率； 3、数字光通信便于和PVM电话终端、PCM数字 彩色电视机终端和计算机连接，从而组成一个综 合性系统。
9
1.6 空间光调制器
1.6.1 空间光调制器的概念
4
当激光频率很高时，调制电路要用高通滤波 电路来实现，此时会产生畸变。为了不产生调 制畸变，要求输出功率要与阈值以上的电流呈 良好的线性关系；为了尽量不出现驰豫振荡， 应采用条宽较窄的激光器结构。
5
1.5.2 半导体光源的模拟调制
无论是使用LD或LED作为光源，都要施加偏置电流Ib， 使工作点处于LD后LED的线性工作区。调制线性好坏与 调制深度m有关： LD： m= 调制电流幅度 偏置电流-阈值电流 调制电流幅度 偏置电流
14
（2）非相干光—相干光转换 在实时处理系统中，可以把写入的非相干光信号转换 成输出的相干光信号。因为实时处理系统的对象往往是 一个实际物体，一般的光学系统只能使它形成一个非相 干图像，但在处理中却要求一个相干图像，以便进行频 域处理或进行基于光干涉的处理等。
IW IO IR
15
2.放大功能 当写入光强较弱时，或者在信息处理过程层中图 像信号变弱时，可以采用空间均匀分布的、强度 大的空间光调制器予以增强，即可得到放大了的 输出光相干信号。 3.运算功能 信号倍乘识别大多数空间光调制器的固有性能。 4.阈值操作功能
6
LED:
m=
由这两个图可以看出，m大时，调制信号幅度大，但 线性差；m小时。线性好，但调制幅度小，因此要选 择合适的m值。
7
1.5.3 半导体光源的 半导体光源的PCM调制 调制
数字调制是二进制数字信 号“1”码和’0”码对光源发 出的光载波进行调制。 1、先将连续的模拟信号通 过“抽样”变换成一组调幅 的脉冲序列； 2、通过“量化”、“编码”过程，形成一组等幅度、等宽带的 矩形脉冲作为“码元”； 3、将PCM数字信号对光源进行强度调制。
1.5 直接调制
直接调制就是要把传递的信息转变为电流信号注入 半导体光源，从而获得已调制的信号。由于它是在光源 内部进行的，因此又叫内调制。 优点：简便高效率、高速调制 根据调制信号的类型，可分为以下两种： 模拟调制：用连续模拟信号直接对光强度进行调制 数字调制：用脉冲编码的数字信号对光源进行强度 调制
16
利用器件的阈值特性，可以把连续变化的写入信 号变换成若干分立的“值”输出，最简单的操作 是把写入信号量化为“0”和“1”两种输出。给 一个阈值，当写入信号大于阈值时输出为“1”， 小于时输出为“0”，这种操作称为阈值操作， 空间调制器可以看作是非线性光开关的二维阵列。
空间光调制器还有短时存储、光学限幅、波面 回复等功能。
23
2、磁光空间调制器 利用对铁性材料的诱导磁化来记录写入信息的，通 过磁光效应来实现对读出光的调制。 调制过程：
24
25
1
1.5.1 半导体激光器（LD）直接调制原理 半导体激光器（ ）
由半导体的激光输出特性图可以看出： 半导体激光器有一个阈值电流It，到驱动电流小于It时，激 光器基本上不发光或只发出微弱的荧光；当驱动电流大于It 时，开始发射激光。 其光谱特性图如图：
输 出 功 率 相 对 强 度 高于阈值
低于阈值
驱动电流
波长
2
若把调制信号加到激光器上，就可以直接改变激光 器输出光信号的强度。 半导体激光器调制原理示意图：
半导体 激光器
直流 偏置 调制 信号
3
由输出光功率与调制信号的关系曲线图可知： 为了获得线性调制，使 工作点处于输出特性曲线 的输出部分我们需要在加 调制信号的同时加以适当 的偏置电流，使输出的光 信号不失真。偏置电流不 宜偏大，会使激光器的消 光比变坏。
20
2、液晶空间光调制器 液晶：具有液体流动性的同时又具有晶体的特性。 晶体空间光调制器比较典型的应用器件是硫化镉 （CdS）液晶光阀，结构示意图为：
21
这种液晶光阀的主要功能是实现图像的非相干-相 干转换。其工作过程是： 将待转换的非相干图像通过一光学系统从器件右侧 成像到光导层，同时有一束线偏振相干光从器件左 侧射向液晶，其偏振方向与液晶层左端的分子长轴 方向一致，由于高反射膜的作用，这束光惊两次通 过液晶层，最后从左边输出得到输出光。
写入信号（W）
读出光 （IR）
输出光（IO）
11
当写入信号是光信号时，通常表现为一个二维的 光强分布的图像，通过一光学系统成像在空间光调 制器的像素平面上，是入射光的像素与空间光调制 器的像素一一对应，这个过程称为“寻址”。寻址 方式为“光学寻址”。因为寻址时同时完成的，因 此光学寻址是一种“并行寻址方式”。 读出光通过调制器时，其光学参量就受到空间光 调制器个像素的调制，输出一束具有新的光学参量 空间分布的输出光。